Optimierung der Detektorleistung

Durch permanente Weiterentwicklung der Detektortechnologie und die große verfügbare Auswahl an Materialien und Detektionsmethoden können die meisten Anforderungen an das Detektieren von Licht mit verhältnismäßig einfachen Systemen erfüllt werden. Bei der großen Auswahl ist es jedoch manchmal schwierig, den Überblick zu behalten.

Beschränkung auf das Notwendige

Der Hauptaspekt in diesem Abschnitt ist die Vermeidung von unnötigen Rauschquellen. Rauschen soll hier im weitesten Sinne des Wortes verstanden werden. Das Ziel ist die Minimierung jeglicher Effekte, die negative Auswirkungen auf aussagekräftige Messwerte haben.
Die folgenden Vorschläge mögen vielleicht trivial erscheinen, werden aber dennoch besprochen, da leider bei der Konzeption eines neuen Experiments oft die einfachsten Aspekte außer Acht gelassen werden.
Abb. 1 verdeutlicht unser Anliegen graphisch. Es bestehen vier Kriterien für eine gute Übereinstimmung von Signal und Detektorantwort. Die x-Achse der Graphen können mit den folgenden Eigenschaften beschriftet werden:

Wellenlänge
Bandbreite
Zeit
Sichtfeld

In dieser Abbildung sind einige Beispiele für schlechte Deckung, ein Beispiel für gute Deckung und ein Beispiel für eine optimale Deckung dargestellt.

Wellenlänge

Der Wellenlängenbereich des Signals muss im Empfindlichkeitsbereich des Detektors liegen. Ist der Empfindlichkeitsbereich des Detektors größer als der des Signals, trägt jegliche Strahlung außerhalb des Signalbereichs zum Rauschen bei. Um den auf den Detektor fallenden Wellenlängenbereich einzuschränken, kann ein Bandpassfilter verwendet werden. Deckt sich der Empfindlichkeitsbereich des Detektors nur teilweise mit dem Wellenlängenbereich des Signals, geht ein Teil der Informationen verloren. Für die gute und optimale Deckung aus Abb. 1 liegt eine Situation vor, in der die komplette Signalinformationen empfangen wird und nur wenig bzw. kein vermeidbares Rauschen beiträgt.

Abb. 1 Beispiele für schlechte und gute Deckung von Detektor- und Signaleigenschaften.

Bandbreite

Die häufigste Vorgehensweise zur Minderung von Rauschen ist die Anpassung der Frequenzbandreite. Dies ist naheliegend, da die Frequenzbreite wie folgt in die das Rauschen beschreibende Gleichungen eingeht:
(BANDBREITE)^1/2
Das Auftreten der Einheit Hz^-1/2 in der Dimension von weißem frequenzunabhängigem Rauschen, erinnert an diese Abhängigkeit. Dies gilt für Johnson- und Schrotrauschen. Eine weitere Methode zur Kontrolle der Bandbreite ist die Frequenzerhöhung um das 1/f Rauschen (Flickerrauschen) zu minimieren. Die auf der nächsten Seite ausführlicher beschriebenen AC-Detektoren nutzen verschiedene Formen von elektronischen und digitalen Filtern, um die Detektionsbandbreite an den Frequenzbereich des Signals (ohne Rauschen) anzupassen. Aufgrund der starken Hintergrundstrahlung empfiehlt sich die Anwendung von AC-Methoden hauptsächlich im Infrarotbereich.

Zeit

In bestimmten Zeitintervallen können besondere Ereignisse von spezifischer Dauer auftreten. Sofern es sich nicht von alleine einstellt, kann dieses periodische Verhalten mit verschiedenen Techniken zunächst erzeugt und dann zur Verbesserung des Signal zu Rausch Verhältnisses genutzt werden. Dabei ist wichtig, dass die Frequenz des modulierten Signals sich so stark wie möglich von den natürlichen Modulationsfrequenzen der Rauschquellen unterscheidet (50 Hz Netzfrequenz und Oberschwingungen).
Häufig werden Zerhacker (siehe Optische Zerhacker) oder elektronisch modulierte Lichtquellen hierfür verwendet. Zu den brauchbaren Modulationsfrequenzen zählen 25 Hz, 75 Hz etc. Höhere Modulationsfrequenzen werden für die Messung von schnell veränderliche Signale benötigt. AC Detektionsmethoden mit schmalerer Bandbreite, insbesondere Lock-In Techniken, werden zur Ausnutzung der Signalmodulation eingesetzt. Bei gepulsten Lichtquellen werden Gated Averager und Integratoren dazu eingesetzt, das Signal zu Rausch Verhältnis bei der Messung von gepulsten Lichtquellen zu verbessern.

Sichtfeld

Das Sichtfeld ist insbesondere bei Infrarotdetektoren ein wichtiges Kriterium. Objekte bei Raumtemperatur emittieren Infrarotphotonen (insbesondere im Bereich von 10 mm). Um primär die Strahlung der relevanten Quelle zu empfangen, sollte das Sichtfeld des Detektors eingeschränkt werden. Eine gute Abbildung der Quelle auf den Detektor und das Nutzen einer Apertur zahlen sich in Form von aussagekräftigen und wiederholbaren Messergebnissen aus.

Allgemeine Techniken zur Minimierung des Rauschens

Temperaturregelung

Die Rausch- und Empfindlichkeitseigenschaften aller Detektoren und signalverarbeitender Elektroniken sind teilweise von der Temperatur abhängig. In einer stabilen thermischen Versuchsumgebung lassen sich besser wiederholbare Ergebnisse erzielen. Typischerweise lässt sich die Detektionsschwelle durch Kühlung auf unterhalb Raumtemperatur verbessern. Das Ausmaß der Leistungsverbesserung hängt vom Detektortyp und der Elektronik hinter dem Detektor ab. Mit gekühlten Photonendetektoren, die auf den infraroten Spektralbereich ansprechen, lasssen sich so deutlich bessere Messwerte erzielen. Je nach charakteristischer Energie des Systems (z.B. Bandlücke und Austrittsarbeit) halbiert sich der Dunkelstrom alle 5 bis 20°C.

Relative Verhältnisse ermitteln

Keine Lichtquelle ist völlig stabil. Zur Optimierung der Ergebnisse sollte daher so oft wie möglich das Antwortsignal des Detektors zum Signal der Lichtquelle ins Verhältnis gesetzt werden.

AC-Techniken

Der Rückgriff auf AC-Techniken zur Messung von DC-Signalen mag auf den ersten Blick merkwürdig erscheinen, hat sich in der Praxis bewährt. Mit Hilfe von AC-Techniken kann das Signal mit einer bekannten Modulation kodiert werden. Die so erzielte charakteristische Modulation eignet sich zur Abgrenzung gegen den Rauschbeitrag, dessen Leistung sich über andere breitere Frequenzen verteilt.
Mit einem AC-gekoppelten Verstärker mit schmalbandigem Filter (bei Modulationsfrequenz) lässt sich das Signal zu Rausch Verhältnis deutlich verbessern. Die Frequenzstabilität des Modulators setzt jedoch der Reduzierung des Filterbandpasses Grenzen. Ist der Rauschbeitrag nach Erreichen dieser Grenze noch zu groß, müssen Lock-In Techniken angewendet werden. Diese beruhen auf der aktiven Verfolgung der Modulationsfrequenz durch den Verstärker, was den Einsatz schmalerer Bandfilter ermöglicht. Im Digitalteil unseres Merlin^TM Radiometer Systems greifen wir häufig auf solche Filter zurück. So können wir Phasen- und Amplitudenverschiebungen eliminieren, wie sie bei den älteren, analogen Lock-Ins auftraten.

Gated Integration/Boxcar Mittelung

Die Bezeichnungen dieser Techniken gehen auf das Erscheinungsbild der graphischen Darstellung des Prozesses (siehe Abb. 2) zurück. Mit Gates, Boxen und Fenstern werden die Zeiträume definiert, in denen die Elektronik Signale erfassen soll. Innerhalb dieser Zeitschranken liegt bereits ein besseres Signal zu Rausch Verhältnis vor, da die Rauschbeiträge aus den Zwischenbereichen wegfallen. Wird der Prozess für N Pulse wiederholt und handelt es sich um weißes Rauschen, Johnson- oder Schrotrauschen, dann verbessert sich das Signal zu Rausch Verhältnis um N^1/2. Dies hängt damit zusammen, dass der integrierte Signalbeitrag mit N, der Rauschbeitrag jedoch nur mit N^1/2 steigt.

Abb. 2 Periodische Wiederholte Signal- und Detektionsfenster.

Warnhinweis

AC-gekoppelte Detektoren können DC-Sättigung (aus dem Hintergrund) und somit einem Linearitätsverlust unterworfen sein. Soll ein DC-Detektor im AC-gekoppelten Betrieb eingesetzt werden, muss seine DC-Antwort bekannt sein.
Häufig wird die Detektorantwort durch die Elektroniken hinter dem Detektor begrenzt, weswegen auf Frequenzabfälle geachtet werden muss. Je nach gewählter Verstärkung können einem Gerät mehrere Bandbreiten zugeordnet sein.

Technischer Hinweis

Daumenregeln

Das Johnson-Rauschen kann nicht vollständig unterdrückt werden, der Beitrag zum Signal zu Rausch Verhältnis lässt sich jedoch vermindern.
Bei Verwendung eines Photomultipliers sollte der größte Teil des AC-Rauschbeitrags durch das Schrotrauschen der Vorspannung verursacht werden. Ist der Wert mindestens drei Mal so groß wie der des Johnson-Rauschens, so ist der Einfluss des Johnson-Rauschens auf das Signal zu Rausch Verhalten des System effektiv vernachlässigbar. Bei schwachen Lichtintensitäten sollte zunächst die Transimpedanzverstärkung auf den bei der benötigten Bandbreite maximal möglichen Wert erhöht werden. Der AC-Rauschbeitrag ohne Vorspannung am Photomultiplier (Johnson-Rauschen) kann ermittelt werden. Erhöhen Sie schließlich im Rahmen der Zerstörschwelle der Röhre die Vorspannung, bis das AC-Schrotrauschen bei Dunkelstrom etwa drei Mal so groß ist wie das Johnson-Rauschen. Im Vergleich zum Fall ohne Vorspannung muss etwa die vierfache Varianz gewählt werden. Signale lassen sich nun mit hoher Linearitäts messen, da Photonensignal und Rauschen in dem Elektronenvervielfacher im selben Verhältnis verstärkt werden. Sind die zu messenden Signale sehr schwach, empfiehlt sich Photonenzählung.